Объектом исследования являются экструзивно-лавовые и пирокластические образования Южно-Якутинской вулкано-тектонической структуры (ВТС), расположенной в пределах южной части Восточного Сихотэ-Алиня в Кавалеровском рудном районе (~N 44 °17', E 135 °17'). Структура морфологически представляет собой вулканический массив депрессионного типа практически округлой формы, достигающий в поперечнике 14 км. Вмещающими породами служат образования Горбушинского субтеррейна - фрагмента раннемеловой неокомской аккреционной призмы Таухинского террейна. Они представлены многократно повторяющимся разрезом кремнистых пород с остатками триасово-юрских микрофоссилий, согласно перекрытых преимущественно берриас-валанжинскими песчаниковыми турбидитами. [1, 2]. Новые изотопно-геохимические данные для вулканических комплексов Южно-Якутинской ВТС свидетельствуют об их образовании на границе палеоцен-эоцена: 54,3 ± 2,9 млн лет [3]. В ряде работ было показано, что раннепалеогеновый магматический комплекс в пределах Сихотэ-Алиня (богопольский вулканический и якутинский плутонический комплекс) объединяет горные породы особого минерало-геохимического состава, которые резко отличаются от таковых предшествующего и последующего этапов магматизма. Этот комплекс характеризуется высокодифференцированным составом обогащенных летучими компонентами исходных магм и принадлежностью к магматическим породам A-типа [4–7].
Линейно-концентрические интрузивные тела Южно-Якутинской вулкано-тектонической структуры (ВТС) подчеркивают внутреннюю структуру изометрических кальдер обрушения и трещинный (по кольцевым сбросам) тип извержений. Широкое развитие пирокластических образований, развитие флюидальных и сферолитовых текстур в вулканических породах, наличие газовых полостей и миароловых пустот в лавах и центральных частях сферолоидов свидетельствуют о насыщенности исходных магм летучими компонентами. Южно-Якутинская ВТС относится к типу открытых магматических систем, в которой развитие игнимбритообразующего очага завершается взрывом и выбросом на поверхность магматической и газовой компонент. Субвулканические и экструзивные тела заключительных стадий магматизма относятся к типу условно закрытых (переходных) систем, где четко проявлены процессы близповерхностной дифференциации, отделения летучих компонентов и автометасоматическое изменение пород. Повышение кремнекислотности расплавов с одновременным накоплением щелочей, магмофильных: B, F и рудных компонентов, вплоть до появления аномальных высококремнистых, ультракалиевых риолитов, может быть обусловлено фильтрацией флюидов, связанной с быстрой потерей летучих компонентов в результате быстрого подъема магмы к земной поверхности. Логичным продолжением эволюции магматической системы является появление в постмагматический этап гидротермальных растворов – производных остывающего очага кислой магмы, обусловивших проявления различного типа минерализации в пределах ВТС. Необходимо отметить, что в прилегающих районах исследованной территории локализована золото-серебряная и бериллиевая с флюоритом минерализация [8].
Цель настоящего исследования состоит в выявлении лантаноидного тетраэдного эффекта в зависимости от содержаний флюидного компонента (F) на примере экструзивно-лавовых и пирокластических образований Южно-Якутинской ВТС.
Материалы и методы исследования
Определение содержания фтор-иона в горных породах выполнено ионометрическим методом с использованием фторид-селективного электрода. Этот метод обладает высокой специфичностью к ионам фтора, прост в обращении, надежен и позволяет определять фторид-ион с чувствительностью от 0,05 мг/мл. Особенностью используемой методики является осаждение мешающих элементов (Al, Th, Be, РЗЭ и др.) с малорастворимыми соединениями двухвалентного железа при рН = 8,5–9,5. Пробы предварительно сплавляли с KNaCO3 при температуре 850 °С и выщелачивали горячей дистиллированной водой. Аликвоты фильтрата (25 см3) нейтрализовали HCl (1:1) по метиловому оранжевому с последующим добавлением ацетатного буферного раствора для установления необходимого рН 5,5. Растворы доводили дистиллированной водой до метки в мерных колбах вместимостью 50 см3. Концентрацию фторид-иона выполняли измерением ЭДС ячейки, составленной из фторидного ЭЛИТ 221 и вспомогательного хлор-серебряного ЭВЛ-1М3.1 электродов на иономере «IONOMETER I-500», Россия. Содержание F– определяли по градуировочному графику. Достоверность полученных результатов анализа на содержание фтор-иона подтверждена анализом стандартных образцов состава (ДВД-1, СГД-2А, ДВМ) и методом добавок известных концентраций фторид-иона в анализируемые растворы.
Результаты исследования и их обсуждение
Поведение микроэлементов в геохимических системах и их интерпретация основаны на фундаментальных параметрах: изовалентные микроэлементы с равными или очень сходными ионными радиусами должны оставаться тесно связанными в геологических процессах. Если нарушается геологическая система, то происходит прерывание когерентности «парных» элементов и появляется лантаноидный тетрадный эффект фракционирования РЗЭ. Это явление связано с нарушением формы спектра нормированных по хондриту содержаний редкоземельных элементов, выраженных в разделении всего спектра из 15 элементов на 4 группы (тетрады) с образованием зигзагообразной кривой: 1: La-Ce-Pr-Nd; 2: Pr-Sm-Eu-Gd; 3: Gd-Tb-Dy-Ho; и 4: Er-Tm-Yb–Lu. Для количественного определения тетрадного эффекта в настоящий момент используют только первую (TE1) и третью (TE3) тетрады. Вторая тетрада (Pr–Gd) малозаметна в связи как с отсутствием в природе Pr, так и с исключительным поведением Eu2+ при низкой кислородной летучести и высоких температурах в магматических системах. Четвертая тетрада (Er–Lu) в основном является слабо развитой [9]. Лантаноидный тетрадный эффект впервые был установлен экспериментально при изучении экстракции редкоземельных элементов в системах водных фаз. Позднее он был отмечен как в магматических породах, так и в отложениях гидротермальных флюидов [10]. Существуют два различных типа тетрадных эффектов (M и W), относящихся к кривым REE с изогнутыми вверх и вниз линиями каждой тетрады соответственно. В гранитах известен только M-тип, в то время как W-тип типичен для жидких фторидных фаз, отделяющихся от силикатных расплавов и/или минералов поздних стадий кристаллизации. Оба типа производны друг от друга и по определению являются зеркальными. Тетрад-эффект считается значимым при ТЕ1-3 < 0,9 (W-тип) и ТЕ1-3 > 1,1 (M-тип).
Данный эффект часто сопровождается другим модифицированным, так называемым не заряд-радиус-контролируемым (non-CHARAC) геохимическим поведением многих микроэлементов. «Чистые» силикатные расплавы характеризуются соответствием поведения заряд-радиусных характеристик микроэлементов, поэтому элементы с одинаковыми зарядом и радиусом демонстрируют согласованное поведение и сохраняют когерентность элементов, нормированных к хондриту, а нормированные графики (спайдер-диаграммы) представляют собой плавные функции ионных радиусов и атомных номеров. Высокодифференцированные составы магм, богатые такими компонентами, как H2O, Li, B, F, P и/или Cl [11], часто имеют некогерентное поведение REE типа non-CHARAC и нехондритовые соотношения Y/Ho, La/Nb и Zr/Hf.
На примере редкоземельного состава пород Южно-Якутинской структуры нами рассчитаны значения тетрадного эффекта фракционирования РЗЭ и построены спайдер-диаграммы (таблица, рисунок). Значительные показатели тетрадного эффекта установлены в наиболее дифференцированных высококремнеземистых породах, в то время как показатель ТЕ1-3 имеет меньшие величины в «низкокремнеземистых разностях», но при этом в F-обогащенных породах. В то же время оба типа пород Южно-Якутинской ВТС не характеризуются аномальными величинами содержания F (таблица).
Как известно, содержание F может быть достаточно низким в магматических породах, но это не соответствует его действительному содержанию в первичных расплавах. Даже небольшое количество F заметно влияет на минеральные равновесия и существенно мобилизует целый ряд редкометалльных элементов. На поздней стадии F перераспределяется исключительно во флюидную фазу, обедняя расплав по мере снижения температуры, и концентрируется в кристаллизующихся F-содержащих минералах [12].
В дальнейшем возможны разделение фторидных и силикатных расплавов в магматических очагах, внедрение силикатных расплавов во вмещающие породы и образование интрузивных, субвулканических или эффузивных пород с тетрад-эффектами M-типа в спектрах РЗЭ [13]. Как известно, F-комплексы являются важными переносчиками ряда элементов при формировании рудных гидротермальных месторождений – Sn, W, Mo, Ta, Nb, Li, РЗЭ и Au и Be [14, 15].
Согласно данным [16] обогащение системы F смещает эвтектические и котектические отношения кислого расплава в менее кремнекислотную область, богатую щелочами, подтверждая природный феномен Южно-Якутинской ВТС.
Одним из следствий полученных результатов является наблюдаемое значительное уменьшение концентраций Zr в высокодифференцированных порциях «высококремнеземистых» расплавов. В подобных случаях использование Zr в качестве одного из элементов дискриминантных диаграмм для выявления геодинамических обстановок проявлений магматических комплексов может привести к их ошибочной интерпретации [17]. В тех случаях, когда взаимодействие расплав-флюид вызывает тетрадный эффект и «нехарактерное» поведение микроэлементов, их тектоническая интерпретация не может быть корректной.
Заключение
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Приведенные материалы показывают наличие лантаноидного тетрадного эффекта M-типа в риолитах Южно-Якутинской ВТС.
2. Выявленный тетрадный эффект подтверждает факт эволюции магматической системы Южно-Якутинской ВТС в условиях аномального флюидного режима, что в свою очередь приводит к значительному перераспределению РЗЭ.
Микроэлементный состав (г/т) вулканических пород Южно-Якутинской ВТС
|
«Низкокремнеземистые» риолиты |
«Высококремнеземистые» риолиты |
||||||||
|
F |
51 |
85 |
643 |
104 |
64 |
272 |
172 |
186 |
61 |
|
Zr |
124,73 |
108,14 |
276,12 |
171,16 |
217,47 |
187,08 |
106,05 |
148,24 |
244,24 |
|
La |
16,38 |
21,82 |
39,74 |
40,01 |
9,39 |
10,96 |
15,86 |
12,95 |
33,41 |
|
Ce |
47,08 |
66,63 |
78,83 |
63,63 |
61,68 |
74,38 |
62,13 |
53,18 |
73,93 |
|
Pr |
3,73 |
5,67 |
9,29 |
8,54 |
3,03 |
2,79 |
4,19 |
3,52 |
7,83 |
|
Nd |
12,98 |
18,24 |
33,21 |
30,53 |
12,99 |
9,89 |
15,47 |
13,45 |
27,84 |
|
Sm |
3,16 |
4,82 |
7,69 |
6,25 |
3,97 |
2,76 |
4,76 |
3,75 |
5,95 |
|
Eu |
0,36 |
0,48 |
0,90 |
0,74 |
0,44 |
0,09 |
0,14 |
0,15 |
0,62 |
|
Gd |
2,75 |
3,27 |
5,80 |
5,06 |
3,34 |
2,32 |
4,72 |
3,23 |
4,02 |
|
Tb |
0,52 |
0,59 |
1,01 |
0,92 |
0,72 |
0,45 |
1,04 |
0,71 |
0,70 |
|
Dy |
4,47 |
4,77 |
6,77 |
5,65 |
4,87 |
3,48 |
8,13 |
5,61 |
4,80 |
|
Ho |
0,91 |
0,85 |
1,20 |
1,02 |
0,93 |
0,65 |
1,48 |
1,27 |
0,86 |
|
Er |
3,18 |
2,91 |
3,86 |
3,49 |
3,31 |
2,29 |
4,70 |
4,36 |
2,57 |
|
Tm |
0,46 |
0,49 |
0,52 |
0,50 |
0,49 |
0,39 |
0,69 |
0,65 |
0,42 |
|
Yb |
3,07 |
3,18 |
3,62 |
2,95 |
2,85 |
2,38 |
3,84 |
3,89 |
2,15 |
|
Lu |
0,50 |
0,54 |
0,57 |
0,53 |
0,51 |
0,39 |
0,63 |
0,59 |
0,38 |
|
Hf |
5,31 |
5,84 |
5,46 |
5,53 |
5,62 |
5,03 |
5,33 |
5,83 |
6,24 |
|
Ta |
1,00 |
1,17 |
1,35 |
1,14 |
1,05 |
0,92 |
1,39 |
1,42 |
1,29 |
|
Pb |
23,47 |
24,14 |
24,85 |
23,04 |
11,10 |
43,80 |
36,36 |
26,24 |
29,20 |
|
Th |
17,30 |
17,63 |
18,51 |
18,46 |
12,24 |
14,38 |
17,11 |
17,60 |
15,92 |
|
U |
3,68 |
3,63 |
3,79 |
3,87 |
2,29 |
2,42 |
4,09 |
3,88 |
3,32 |
|
TE1,3 |
1,16 |
1,23 |
1,07 |
1,02 |
1,43 |
1,47 |
1,32 |
1,26 |
1,10 |
Примечание: геохимический состав из работы [3].
Степень тетрадного эффекта = TE1,3 = (t1 x t3)0,5 [8], где t1 = (Ce/Cet x Pr/Prt)0.5 и t3 = (Tb/Tbt x Dy/Dyt)0.5. Ce/Cet = Cecn/(Lacn2/3 x Ndcn1/3); Pr/Prt = Prcn/(Lacn1/3 x Ndcn2/3); Tb/Tbt = Tbcn/(Gdcn2/3 x Hocn1/3); Dy/Dyt = Dycn/(Gdcn1/3 x Hocn2/3). Lncn = хондрит-нормализованные лантаноидные концентрации [11].
Составы вулканических пород Южно-Якутинской ВТС, нормированные по хондриту (а); вариационные диаграммы отношений элементов ключевых величин тетрад эффекта для «низкокремнеземистых» (1) и «высококремнеземистых» пород (2) и сферолита риолитовых лав Южно-Якутинской ВТС (3) (б–ж)
3. Флюидонасыщенные магматические расплавы Южно-Якутинской ВТС обладают потенциальной рудогенерирующей способностью. При проведении детальных поисковых работ необходимо учитывать парагенетическую связь флюоритовой с бериллием минерализации с наиболее дифференцированными породами раннепалеогеновых комплексов Сихотэ-Алиня.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-05-00100.